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电磁的原理

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电磁的原理


        

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  • 2005-12-30 15:13:52
          磁铁和电流都能够产生磁场,电流的磁场是由电荷的运动形成的,那么磁铁的磁场是如何产生的呢?法国学者安培根据环形电流的磁性与磁铁相似,提出了著名的分子电流的假说。他认为,在原子、分子等物质微粒内部,存在着一种环形电流——分子电流,分子电流使每个物质微粒都成为一个微小的磁体,它的两侧相当于两个磁极。
      这两个磁极跟分子电流不可分割地联系在一起。安培的假说,能够解释各种磁现象。一根软铁棒,在未被磁化的时候,内部各分子电流的取向是杂乱无章的,它们的磁场互相抵消,对外界不显磁性。当软铁棒受到外界磁场的作用时,各分子电流的取向变得大致相同,软铁棒就被磁化了,两端对外界显示出较强的磁作用,形成磁极。
      磁体受到高温或者受到猛烈的敲击会失去磁性,这是因为在激烈的热运动或机械运动的影响下,分子电流的取向又变得杂乱了。在安培所处的时代,人们对原子结构还毫无所知,因而,对物质微粒内部为什么会有电流是不清楚的。直到20世纪初期,人类了解了原子内部的结构,才知道分子电流是由原子内部的电子的运动形成的。
      安培的磁性起源的假说,揭示了磁现象的电本质。它使我们认识到,磁铁的磁场和电流的磁场一样,都是由电荷的运动产生的。 但是仅凭“电荷运动产生磁场”还不足以说明以下三个问题:1。运动电荷周围的磁场为何其磁力线方向符合右手螺旋法则而不是左手螺旋法则?2。
      通电直导线周围有环形磁场,为何磁力线方向也符合右手螺旋法则而不是左手螺旋法则?3。原子磁矩如何确定N极和S极?唯一的解释只能是“电荷运动时自旋”,自旋产生磁场,磁力线方向与自旋方向有关。“电荷运动时自旋”这一判断虽然是来自于推理,但能够解释一切电磁现象,下面一一讲述: 一、电生磁 电荷静止时不自旋,只产生电场,不产生磁场。
       电荷运动时自旋,并在周围产生环形磁场。正电荷运动时的自旋方向和磁场方向为:右手半握,拇指伸开,拇指指向正电荷前进方向,其余四指就指向自旋方向,磁力线方向与自旋方向相同。负电荷运动时的自旋方向和磁场方向为:左手半握,拇指伸开,拇指指向负电荷前进方向,其余四指就指向自旋方向。
      磁力线方向与自旋方向相反。 通有直流电流的直导线中,电子排着队向前运动,因电子自旋的作用,导线周围有环形磁场。电子自旋方向和磁场方向为:左手半握,拇指伸开,拇指指向负电荷前进方向,其余四指就指向自旋方向,磁力线方向与自旋方向相反。 若将通有直流电流的直导线弯曲成圆形,则环形磁场闭合,对外表现为磁矩。
      电流方向和磁极方向的关系符合右手螺旋法则:右手半握,拇指伸开,除拇指外的四指指向电流方向,则拇指指向N极方向。 电子绕原子核运动,可视为通有直流电流的圆形导线,对外表现为原子磁矩。电子运动方向和磁极方向的关系符合左手螺旋法则:左手半握,拇指伸开,除拇指外的四指指向电子运动方向,则拇指指向N极方向。
       二、电作用于磁 电场产生磁场,然后吸引或排斥其他磁场,例如通电直导线可使旁边的小磁针偏转、电磁铁的应用、电动机的应用。 三、磁作用于电 通电导线在磁场中所受作用力的方向跟磁场方向、电流方向之间的关系,可以用左手定则来判定:伸开左手,使大拇指跟其余四个手指垂直,并且都跟手掌在一个平面内,把手放入磁场中,让磁感线垂直穿入手心,并使伸开的四指指向电流的方向,那么,拇指所指的方向,就是通电导线在磁场中的受力方向。
      原因如下:设均匀磁场的磁力线向下垂直于纸面,通电导线平放在纸面上,方向正南正北,电流方向为北方。我们可以这样理解均匀磁场的磁力线:在纸面上,在通电导线的西侧有一个通直流电的长直导线,方向正南正北,电流方向为北方,它产生的环形磁场,一半在纸面上,另一半在纸面下,则在通电导线的位置磁力线是垂直向下的,且在其附近的分布近似均匀。
      通电导线本身也产生环形磁场,磁力线符合右手螺旋法则,它与长直导线的磁场相互吸引,故通电导线的受力方向为正西,与电流方向(正北)成90度。 当通电导线跟磁场方向平行时,磁场对导线的作用力为零。原因同上,只是通电导线与假想的长直导线不再平行,而是成90度夹角,故相互作用力为零。
       如果通电导线跟磁场方向既不垂直也不平行而成任一角度,磁场对电流有作用力,但作用力比互相垂直的情形要小。 带电粒子在磁场中静止时不受磁场力。原因如下:带电粒子在磁场中静止时不自旋,无环形磁场。 带电粒子在磁场中运动时,若速度垂直于磁力线方向,则粒子做匀速圆周运动,磁场力是向心力。
      带正电粒子在磁场中所受作用力的方向跟磁场方向、运动方向之间的关系,可以用左手定则来判定:伸开左手,使大拇指跟其余四个手指垂直,并且都跟手掌在一个平面内,把手放入磁场中,让磁感线垂直穿入手心,并使伸开的四指指向带正电粒子的运动方向,那么,拇指所指的方向,就是带电粒子在磁场中的受力方向。
      原因如下:设均匀磁场的磁力线向下垂直于纸面,带正电的粒子在纸面上向北运动,我们可以认为在纸面上,在带电粒子的西侧有一个通直流电的长直导线,方向正南正北,电流方向为北方,它产生的环形磁场,一半在纸面上,另一半在纸面下,则在带电粒子的位置磁力线是垂直向下的,且在其附近的分布近似均匀。
      带正电的粒子的运动也产生环形磁场,磁力线符合右手螺旋法则,它与长直导线的磁场相互吸引,故粒子受力方向为正西,与前进方向(正北)成90度。 若带电粒子速度平行于磁力线时,粒子不受磁场力。原因同上,只是带电粒子产生的环形磁场的磁力线与所在磁场的磁力线相互垂直,故不受力。
       磁场中的通电线圈会发生偏转。原因是磁场与通电线圈的磁矩相互作用。 四、磁生电 导体的两端接在电流表的两个接线柱上,组成闭合电路,当导体在磁场中向左或向右运动,切割磁力线时,电流表的指针就发生偏转,表明电路中产生了电流.这样产生的电流叫感应电流。
      我们知道,穿过某一面积的磁力线条数,叫做穿过这个面积的磁通量。当导体向左或向右做切割磁力线的运动时,闭合电路所包围的面积发生变化,因而穿过这个面积的磁通量也发生了变化。导体中产生感应电流的原因,可以归结为穿过闭合电路的磁通量发生了变化。可见,只要穿过闭合电路的磁通量发生变化,闭合电路中就会产生感应电流。
      这就是产生感应电流的条件。感应电流的方向:导体向左或向右运动时,电流表指针的偏转方向不同,这表明感应电流的方向跟导体运动的方向有关系。如果保持导体运动的方向不变,而把两个磁极对调过来,即改变磁力线的方向,可以看到,感应电流的方向也改变。可见,感应电流的方向跟导体运动的方向和磁力线的方向都有关系.感应电流的方向可以用右手定则来判定:伸开右手,使大拇指跟其余四个手指垂直,并且都跟手掌在一个平面内,把右手放入磁场中,让磁力线垂直穿入手心,大拇指指向导体运动的方向,那么其余四个手指所指的方向就是感应电流的方向。
       感应电流究竟是如何产生的呢?设均匀磁场的磁力线向下垂直于纸面,导体平放在纸面上,方向正南正北,移动方向为西方。(用右手定则判感应电流方向为南方)。当导体向西移动时,可视为导体中的电荷也向西移动,而电荷在磁场中所受作用力的方向跟磁场方向、电荷运动方向之间的关系,可以用左手定则来判定:伸开左手,使大拇指跟其余四个手指垂直,并且都跟手掌在一个平面内,把手放入磁场中,让磁感线垂直穿入手心,并使伸开的四指指向电荷的运动方向(西方),那么,拇指所指的方向(南方),就是电荷在磁场中的受力方向。
      所以电流方向应是南方。 把线圈的两端接在电流表上,组成闭合电路.当向线圈中插入或拔出磁铁时,电流表的指针偏转,表明电路中产生了感应电流。这是因为向线圈中插入磁铁时,穿过线圈的磁通量增大,从线圈中拔出磁铁时,穿过线圈的磁通量减小。穿过线圈的磁通量发生了变化,因而产生了感应电流。
      向线圈中插入或拔出磁铁的过程可以等效为导体切割磁力线的过程。磁通量的变化只是产生感应电流的表层的原因,真正的原因还是线圈中的电荷受洛仑兹力运动。 总结:“电荷运动时自旋”这一判断虽然是来自于推理,但确实能够解释一切电磁现象,暂时还算是站的住脚的,下一步就是接受实践的检验了。
      另外我认为产生磁场的真正原因,确切地说不是电荷的运动,而是电荷的旋转。使带静电荷的物体高速旋转,肯定可以观测到磁场的产生。 。

    玉***

    2005-12-30 15:13:52

其他答案

    2006-01-01 22:06:04
  •   在电子设备及电子产品中,电磁干扰(Electromagnetic Interference)能量通过传导性耦合和辐射性耦合来进行传输。为满足电磁兼容性要求,对传导性耦合需采用滤波技术,即采用EMI滤波器件加以抑制;对辐射性耦合则需采用屏蔽技术加以抑制。
      在当前电磁频谱日趋密集、单位体积内电磁功率密度急剧增加、高低电平器件或设备大量混合使用等因素而导致设备及系统电磁环境日益恶化的情况下,其重要性就显得更为突出。 屏蔽是通过由金属制成的壳、盒、板等屏蔽体,将电磁波局限于某一区域内的一种方法。
      由于辐射源分为近区的电场源、磁场源和远区的平面波,因此屏蔽体的屏蔽性能依据辐射源的不同,在材料选择、结构形状和对孔缝泄漏控制等方面都有所不同。在设计中要达到所需的屏蔽性能,则需首先确定辐射源,明确频率范围,再根据各个频段的典型泄漏结构,确定控制要素,进而选择恰当的屏蔽材料,设计屏蔽壳体。
       屏蔽体对辐射干扰的抑制能力用屏蔽效能SE(Shielding Effectiveness)来衡量,屏蔽效能的定义:没有屏蔽体时,从辐射干扰源传输到空间某一点(P)的场强 1( 1)和加入屏蔽体后,辐射干扰源传输到空间同一点(P)的场强 2( 2)之比,用dB(分贝)表示。
       图1 屏蔽效能定义示意图 屏蔽效能表达式为 (dB) 或 (dB) 工程中,实际的辐射干扰源大致分为两类:类似于对称振子天线的非闭合载流导线辐射源和类似于变压器绕组的闭合载流导线辐射源。由于电偶极子和磁偶极子是上述两类源的最基本形式,实际的 辐射源在空间某点产生的场,均可由若干个基本源的场叠加而成(图2)。
      因此通过对电偶极子和磁偶极子所产生的场进行分析,就可得出实际辐射源的远近场及波阻抗和远、近场的场特性,从而为屏蔽 分类提供良好的理论依据。 图2 两类基本源在空间所产生的叠加场 远近场的划分是根据两类基本源的场随1/r(场点至源点的距离)的变化而确定的, 为远近场的分界点,两类源在远近场的场特征及传播特性均有所不同。
       表1 两类源的场与传播特性 场源类型 近场( ) 远场( ) 场特性 传播特性 场特性 传播特性 电偶极子 非平面波 以 衰减 平面波 以 衰减 磁偶极子 非平面波 以 衰减 平面波 以 衰减 波阻抗 为空间某点电场强度与磁场强度之比,场源不同、远近场不同,则波阻抗也有所不同,表2与图3分别用图表给出了 的波阻抗特性。
       表2 两类源的波阻抗 场源类型 波阻抗 (Ω) 近场( ) 远场( ) 电偶极子 120π 120π 磁偶极子 120π 120π 能量密度包括电场分量能量密度和磁场分量能量密度,通过对由同一场源所产生的电场、磁场分量的能量密度进行比较,可以确定场源在不同区域内何种分量占主要成份,以便确定具体的屏蔽分类。
      能量密度的表达式由下列公式给出: 电场分量能量密度 磁场分量能量密度 场源总能量密度 表3 两类源的能量密度 场源类型 能量密度比较 近场( ) 远场( ) 电偶极子 磁偶极子 表3给出了两种场源在远、近场的能量密度。
      从表中可以看出,两类源的近场有很大的区别,电偶极子的近场能量主要为电场分量,可忽略磁场分量;磁偶极子的近场能量主要为磁场分量,可忽略电场分量;两类源在远场时,电场、磁场分量均必须同时考虑。 屏蔽类型依据上述分析可以进行以下分类: 表4 屏蔽分类 场源类型 近场( ) 远场( ) 电偶极子(非闭合载流导线) 电屏蔽(包括静电屏蔽) 电磁屏蔽 磁偶极子(闭合载流导线) 磁屏蔽(包括恒定磁场屏蔽) 电磁屏蔽 电屏蔽的实质是减小两个设备(或两个电路、组件、元件)间电场感应的影响。
      电屏蔽的原理是在保证良好接地的条件下,将干扰源所产生的干扰终止于由良导体制成的屏蔽体。因此,接地良好及选择良导体做为屏蔽体是电屏蔽能否起作用的两个关键因素。 磁屏蔽的原理是由屏蔽体对干扰磁场提供低磁阻的磁通路,从而对干扰磁场进行分流,因而选择钢、铁、坡莫合金等高磁导率的材料和设计盒、壳等封闭壳体成为磁屏蔽的两个关键因素。
       电磁屏蔽的原理是由金属屏蔽体通过对电磁波的反射和吸收来屏蔽辐射干扰源的远区场,即同时屏蔽场源所产生的电场和磁场分量。由于随着频率的增高,波长变得与屏蔽体上孔缝的尺寸相当,从而导致屏蔽体的孔缝泄漏成为电磁屏蔽最关键的控制要素。 屏蔽体的泄漏耦合结构与所需抑制的电磁波频率密切相关,三类屏蔽所涉及的频率范围及控制要素如表5所示: 表5 泄漏耦合结构与控制要素 屏蔽类型 磁屏蔽 电屏蔽 电磁屏蔽 频率范围 10kHz~500kHz 1MHz~500MHz 500MHz~40GHz 泄漏耦合结构 屏蔽体壳体 屏蔽体壳体及接地 孔缝及接地 控制要素 合理选择壳体材料 合理选择壳体材料 良好接地 抑制孔缝泄漏 良好接地 实际屏蔽体上同时存在多个泄漏耦合结构(n个),设机箱接缝、通风孔、屏蔽体壁板等各泄漏耦合结构的单独屏蔽效能(如只考虑接缝)为SEi(i=1,2,…,n),则屏蔽体总的屏蔽效能 由上式可以看出,屏蔽体的屏蔽效能是由 各个泄漏耦合结构中产生最大泄漏耦合的结构所决定的,即由屏蔽最薄弱的环节所决定的。
      因此进行屏蔽设计时,明确不同频段的泄漏耦合结构,确定最大泄漏耦合要素是其首要的设计原则。 在三类屏蔽中,磁屏蔽和电磁屏蔽的难度较大。尤其是电磁屏蔽设计中的孔缝泄漏抑制最为关键,成为屏蔽设计中应重点考虑的首要因素。 图4 典型机柜结构示意图 根据孔耦合理论,决定孔缝泄漏量的因素主要有两个:孔缝面积和孔缝最大线度尺寸。
      两者皆大,则泄漏最为严重;面积小而最大线度尺寸大则电磁泄漏仍然较大。 图4所示为一典型机柜示意图,上面的孔缝主要分为四类: ● 机箱(机柜)接缝 该类缝虽然面积不大,但其最大线度尺寸即缝长却非常大,由于维修、开启等限制,致使该类缝成为电子设备中屏蔽难度最大的一类孔缝,采用导电衬垫等特殊屏蔽材料可以有效地抑制电磁泄漏。
       该类孔缝屏蔽设计的关键在于:合理地选择导电衬垫材料并进行适当的变形控制。● 通风孔 该类孔面积和最大线度尺寸较大,通风孔设计的关键在于通风部件的选择与装配结构的设计。在满足通风性能的条件下,应尽可能选用屏效较高的屏蔽通风部件。 ● 观察孔与显示孔 该类型孔面积和最大线度尺寸较大,其设计的关键在于屏蔽透光材料的选择与装配结构的设计。
       ● 连接器与机箱接缝 这类缝的面积与最大线度尺寸均不大,但由于在高频时导致连接器与机箱的接触阻抗急剧增大,从而使得屏蔽电缆的共模传导发射变大,往往导致整个设备的辐射发射出现超标,为此应采用导电橡胶等连接器导电衬垫。 综上所述,孔缝抑制的设计要点归纳为: ● 合理选择屏蔽材料; ● 合理设计安装互连结构。
       。

    宝***

    2006-01-01 22:06:04

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